Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη τυπωμένων κεραιών ευκλείδειας, αλλά και φράκταλ, κυρίως, γεωμετρίας, για ασύρματες τερματικές συσκευές. Συγκεκριμένα μελετώνται για πρώτη φορά η φράκταλ καμπύλη του Hilbert, του Peano καθώς και η ευκλείδεια γεωμετρία σχήματος Μαιάνδρου, ως γεωμετρία για κεραία σε μια τυπωμένη διάταξη, τέτοια ώστε να χρησιμοποιείται το επίπεδο γείωσης των ασύρματων συσκευών σαν ένα τμήμα του ακτινοβολούμενου συστήματος. Στα πλαίσια της διπλωματικής εξετάζεται η ικανότητα σμίκρυνσης και παραγωγής πολυσυχνοτικής συμπεριφοράς των παραπάνω γεωμετριών, αν χρησιμοποιηθούν ως κεραίες, καθώς και τα χαρακτηριστικά εμπέδησης και ακτινοβολίας τους. Επιπλέον διερευνάται ο ρόλος του επιπέδου γείωσης στην ακτινοβολία του συστήματος, η κατανομή του ρεύματος στα διάφορα μέρη της διάταξης καθώς και η μεταβολή των διαγραμμάτων ακτινοβολίας των κεραιών καθώς αλλάζει η συχνότητα συντονισμού της κάθε κεραίας. Επίσης εξετάζεται ο αριθμός των μπαντών που συντονίζεται η κάθε κεραία ,το κατά πόσο τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και εμπέδησης παραμένουν αμετάβλητα σε κάθε μπάντα, αλλά και αν η κάθε μπάντα χρησιμοποιείται από διάφορες εφαρμογές, όπως η κινητή τηλεφωνία η τα ασύρματα δίκτυα. Στη συνέχεια οι διατάξεις που μελετώνται συγκρίνονται μεταξύ τους και προτείνονται αυτές που υπερέχουν σε κάθε περίπτωση. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα αλλά και μελλοντικές κατευθύνσεις. Επιπλέον, όσον αφορά το θεωρητικό μέρος της διπλωματικής, παρουσιάζεται συνοπτικά η έννοια της φράκταλ γεωμετρίας και γιατί αυτή προτείνεται ως γεωμετρία για κεραία. Αναφέρονται τα βασικότερα στοιχεία της θεωρίας μικρών κεραιών και συνοψίζονται οι σημαντικότερες δημοσιεύσεις πάνω στις κεραίες Hilbert και Peano. Οι μελέτες αφορούν διάφορα μεγέθη κεραιών σε διάφορες μπάντες λειτουργίας και σε διαφορετικές διατάξεις, δίνοντας μια σαφή εικόνα για την ικανότητα σμίκρυνσης των κεραιών αυτών ,την λειτουργία τους ως ακτινοβολητές αλλά κυρίως για το εάν και πόσο υπερέχουν έναντι απλών ευκλείδειων διατάξεων. / -

Οι σύγχρονες επικοινωνιακές ανάγκες οδήγησαν στην ευρεία εξάπλωση των ασύρματων δικτύων και στη σταδιακή αντικατάσταση των υφιστάμενων ενσύρματων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασυρμάτων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση των διαστάσεων των τερματικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιμετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεμβολής του ασύρματου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά μικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυμητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Όλα αυτά είχαν ως αποτέλεσμα να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη και σχεδιασμό τυπωμένων επίπεδων κεραιών που θα συμβάλλουν στην εξασφάλιση της κατάλληλης ποιότητας παρερχόμενων υπηρεσιών (QOS). Οι τυπωμένες επίπεδες κεραίες αποτελούν κυρίαρχο συστατικό ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος και αποτελούν αντικείμενο μελέτης καθώς παρουσιάζουν ελκυστικά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε πως έχουν χαμηλό κατασκευαστικό κόστος, μικρό βάρος και μέγεθος. Επιπλέον είναι εύκολο να κατασκευαστούν, να ενσωματωθούν σε τερματικές διατάξεις και μικροκυματικά κυκλώματα και να συνδυαστούν σε επίπεδες συστοιχίες κεραιών. Πρόκειται για διατάξεις συμβατές με ηλεκτρονικά σταθερής κατάστασης ,τεχνολογίες Silicon, υβριδικά και μονολιθικά κυκλώματα και είναι κατάλληλες για μεγάλο εύρος εφαρμογών. Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη τυπωμένων κεραιών γεωμετρίας Yagi για ασύρματες τερματικές συσκευές ,με έμφαση στις εφαρμογές των κινητών επικοινωνιών και των ασυρμάτων τοπικών δικτύων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μια βιβλιογραφική αναζήτηση και παρουσίαση των υπαρχόντων Yagi κεραιών που έχουν παρουσιαστεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία και στη συνέχεια μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν τυπωμένες Yagi κεραίες για διαφορετικές εφαρμογές και με διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας .Εξομοιώθηκαν κεραίες στενής αλλά και ευρείας ζώνης με διαφορετική γεωμετρική δομή, μέγεθος, μηχανισμούς τροφοδοσίας και ζώνες λειτουργίας. Επιπλέον εξετάστηκαν ζητήματα όπως ο συνδυασμός των τυπωμένων κεραιών σε συστοιχίες καθώς και ο ρόλος του επιπέδου γείωσης, του μηχανισμού τροφοδοσίας , των κατευθυντικών στοιχείων και πώς αυτά επηρεάζουν τη λειτουργία της κεραίας. / Modern communication needs have led to wide spread of wireless networks and to the progressive replacement of the existing wired-ones. Wireless communications’ rapid development resulted in the reduction of terminal device’s dimensions as well as in the integration of different services operating in various frequencies in the same device and finally in the deployment of multiple antennas systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These developments, in turn, placed new requirements in antenna’s design leading to the need of exceptionally small, low-cost and multiband antennas, possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. As a result specific emphasis was given in the study and design of printed antennas that will guarantee the appropriate quality of services (QOS). It is a fact that printed planar antennas are one of the most important components of a wireless communication system and they are an object of great study as they present attractive characteristics. It is important to mention that they are small in weight and size and they can be easily fabricated with low cost procedures. Moreover they can be integrated in terminal devices and microwave circuits and they can be combined in antenna arrays. In addition they are compatible with solid-state electronics, Silicon technologies, hybrid and monolithic circuits and they are suitable for a wide range of applications. A study on printed Yagi antennas for terminal devices is presented on this thesis with emphasis in applications for mobile communications and wireless local networks. Initially a bibliographic research has been realised on existing printed Yagi antennas that have occasionally been presented in the international bibliography and we their different features and geometric models have been introduced. Afterwards, printed Yagi antennas have been deigned and studied for different applications with various operational characteristics. We have simulated narrowband and also broadband antennas with different geometric structure, size, feeding mechanism and area of operation. Moreover many issues have been examined such as antennas’ combination in arrays, antennas’ operation and performance in comparison with ground plane presence, different feeding mechanism and additional directors.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μελέτη και η σχεδίαση τυπωμένων κεραιών ανεστραμμένου – F για φορητές τερματικές συσκευές. Οι κεραίες αυτές χρησιμοποιούνται σε κινητά τερματικά, όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, PDA κ.τ.λ. και παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα, με κυριότερα το χαμηλό κόστος, την ευκολία κατασκευής, το μικρό τους μέγεθος και τη δυνατότητα μαζικής παραγωγής. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένες γενικές βασικές αρχές των κεραιών και εισάγεται η έννοια της ηλεκτρικά μικρής κεραίας. Επίσης παρουσιάζεται η κεραία ανεστραμμένου – F και διατυπώνεται η θεωρία των ειδώλων στην οποία βασίζεται η αρχή λειτουργίας της συγκεκριμένης κεραίας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι προτάσεις και οι υλοποιήσεις που έχουν γίνει μέχρι στιγμής για την κεραία ανεστραμμένου – F στην βιβλιογραφία ενώ στη συνέχεια (κεφάλαια 3 μέχρι 7) παρουσιάζονται αναλυτικά ορισμένες κεραίες που έχουν κάποια επιπλέον πλεονεκτήματα ως προς τις υπόλοιπες ομοειδείς. Ιδιαίτερη βάση δόθηκε στις κεραίες που καλύπτουν τις ISM ζώνες στα 2.4 GHz και 5.2/5.8 GHz εξαιτίας της ευρύτατης χρήσης των ζωνών αυτών.Τέλος στο κεφάλαιο 9 επιχειρείται μια μικρή εισαγωγή στα συστήματα απόκλισης χώρου με την παρουσίαση και αξιολόγηση ενός συστήματος με τέσσερις κεραίες. / This diploma thesis includes the analysis, design and simulation of printed inverted - F antennas for dual band operating portable terminal devices. These antennas are widely used in mobile phones,laptops, PDAs,etc and have many advantages over other printed antennas such as extremely low cost, fabrication flexibility and compact size.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µια εκτενής µελέτη συστηµάτων απόκλισης τυπωµένων κεραιών για ασύρµατες συσκευές. Η εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών και ειδικότερα η κατανόηση των φαινοµένων που λαµβάνουν χώρα στο ασύρµατο κανάλι µετάδοσης έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη τεχνικών αντιµετώπισης φαινοµένων όπως η πολυοδευτική εξασθένηση και η διασυµβολική παρεµβολή. Τέτοιες τεχνικές είναι οι τεχνικές απόκλισης και ειδικότερα οι τεχνικές απόκλισης κεραιών (χώρου, πόλωσης και διαγράµµατος ακτινοβολίας) οι οποίες συνδυάζουν τα λαµβανόµενα από διαφορετικές κεραίες σήµατα µε σκοπό την δηµιουργία ενός σήµατος υψηλότερης στάθµης. Η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος κεραιών περιλαµβάνει τα κριτήρια του συντελεστή συσχέτισης των λαµβανοµένων σηµάτων και του λόγου των µέσων ενεργών κερδών των κεραιών που αποτελούν το σύστηµα. Καθοριστικό ρόλο στην τεχνική απόκλισης διαδραµατίζει ο τρόπος που συνδυάζονται τα λαµβανόµενα σήµατα στον δέκτη, µε την τεχνική του µεγίστου λόγου να αποτελεί την βέλτιστη λύση από πλευράς απόδοσης, αλλά ταυτοχρόνως την πιο δύσκολα υλοποιήσιµη. Η ποσοτικοποίηση της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος πραγµατοποιείται µε το κέρδος απόκλισης το οποίο λαµβάνει διαφορετικές µορφές και ουσιαστικά παρέχει την πληροφορία του ποσοστού βελτίωσης του συνδυασµένου σήµατος σε σχέση µε µία κεραία αναφοράς. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν συστήµατα απόκλισης τυπωµένων κεραιών δύο, τριών, τεσσάρων έως και έξι στοιχείων. Χρησιµοποιήθηκαν κεραίες γεωµετρίας fractal λόγω της σπουδαίας ικανότητας σµίκρυνσης που παρέχει η εν λόγω τεχνική καθώς και το µονόπολο γεωµετρίας ανεστραµµένου F. Ακολουθήθηκε η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης για όλα τα προτεινόµενα συστήµατα και έγινε σύγκριση µεταξύ των συστηµάτων. Μελετήθηκε αφ’ ενός η επίδραση της θέσης της κεραίας σε µία ασύρµατη συσκευή και αφ’ ετέρου η επιλογή της καταλληλότερης προς χρήση κεραίας στην µείωση του φαινοµένου της αµοιβαίας σύζευξης, φαινόµενο το οποίο αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα µείωσης της συνολικής ικανότητας απόκλισης σε ένα σύστηµα πολλαπλών κεραιών. Ακόµη, µελετήθηκαν συστήµατα απόκλισης κεραιών τα οποία λειτουργούν σε διαφορετικές µπάντες συχνοτήτων. Τέλος, έγινε µια συγκριτική µελέτη για τον ρόλο που διαδραµατίζει το περιβάλλον και ο τρόπος που κατανέµεται η προσπίπτουσα ισχύς στην συµπεριφορά της απόκλισης των µελετηθέντων συστηµάτων. / This thesis presents a comprehensive study on printed antenna diversity systems for wireless devices. The current upsurge in wireless communications systems and, in particular, the realization of the immanent propagation mechanisms that take place in the transmission medium led to the development of special techniques in order to mitigate the undesired phenomena such as multipath fading and intersymbol interference. Antenna diversity (space, polarization and pattern) is one of these techniques and is based on the assumption that the received signals of two or more antennas could be efficiently combined in order to produce a stronger signal. The evaluation of the diversity performance involves the correlation coefficient of the received signals and the mean effective gain ratio of the diversity antennas. A key role in diversity action plays the combining technique used with the maximum ratio technique producing the best results. Diversity performance is “quantified” by means of diversity gain, which gives the amount of improvement of the combined signal relative to a signal received from a reference antenna. In this thesis, printed antenna diversity systems comprising up to six elements were developed. Antennas of fractal geometry such as the Koch, Minkowski, Sierpinski and FRC monopoles, were utilized due to their inherent miniaturization ability as well as the printed inverted F antenna. All the proposed systems were evaluated according to the methodology mentioned earlier and a comparison of the diversity performance between the systems was carried out. The effect of the antenna placement as well as the proper antenna selection for each system on the reduction of mutual coupling was addressed, which is an issue of primal importance in multi element antenna systems. Multi band antenna diversity systems were also studied. Finally, the impact of the environment’s power distribution on the diversity performance of the antenna systems was considered.

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, των μικροκυματικών και των ηχητικών συχνοτήτων για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ηχητικών κυμάτων στις βιοιατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ηχητικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ηχητικές συχνότητες καθώς και τα βασικά στοιχεία της πρακτικής της υλοποίησης που περιλαμβάνουν ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων μετατροπέων καθώς και το αντίστοιχο σύστημα λήψης ηχητικών σημάτων. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη δύο πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών για χρήση τους με συστήματα ευαίσθητων δεκτών μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας. Οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες μοντελοποιήθηκαν (κεφάλαιο 5) και μελετήθηκαν με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιων αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στος εύρος συχνοτήτων 2 – 3.5 GHz. / As the evolution in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existent clinical techniques and the development of new ones, aiming to the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, the usage of two frequency bands is investigated, the microwave and sound frequencies for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of sound frequencies in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at sound frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of sound waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of sound waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis and basic principles of the suggested method are given together with the basic points of its practical implementation that include analysis of the piezoelectric phenomenon, the respective piezoelectric transducers and sound signal receiver. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study of two multi-frequency conformal microstrip patch antennas is performed, in order to use them in conjunction with sensitive microwave radiometry receivers. In chapter 4 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described. The suggested conformal antennas are modeled (chapter 5) and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). The properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.5 GHz in two different head models.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, με βάση την ηλεκτρομαγνητική θεωρία,παρουσιάζεται μία μεθοδολογία για τη μοντελοποίηση πολύθυρων κεραιών κατά την κατάσταση εκπομπής και λήψης τους, δύο στοχαστικές μεθοδολογίες για την αξιολόγησή τους κατά τη λειτουργία τους σε συστήματα διαφορισμού λήψης και μία στοχαστική μεθοδολογία για την περίπτωση που αυτές λειτουργούν σε συστήματα πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων.Οι πολύθυρες κεραίες μοντελοποιούνται στις καταστάσεις εκπομπής και λήψης τους χρησιμοποιώντας είτε τον πίνακα διανυσμάτων ενεργών μηκών ή τον πίνακα αποτελεσματικών ενεργών μηκών. Ο πρώτος τρόπος είναι προσαρμοσμένος για ανάλυση με Ζ-παραμέτρους ενώ ο δεύτερος για ανάλυση με S-παραμέτρους.Η αξιολόγηση των πολύθυρων κεραιών κατα τη λειτουργία τους σε συστήματα διαφορισμού επιτυγχάνεται είτε με τη μέθοδο του πίνακα συνδιασποράς ή με μία υβριδική στοχαστική-ηλεκτρομαγνητική μεθοδολογία. Η πρώτη μεθοδολογία έχει χρησιμοποιηθεί αρκετά στη διεθνή βιβλιογραφία, ενώ η δεύτερη προτείνεται στην παρούσα διατριβή. Και οι δύο μέθοδοι λαμβάνουν υπόψη τους τόσο τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των κεραιών όσο και τις ιδιότητες του περιβάλλοντος διάδοσης.Η αξιολόγηση των πολύθυρων κεραιών κατα τη λειτουργία τους σε συστήματα πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μία γενική μεθοδολογία που βασίζεται σε βασικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και κυκλωματικής ανάλυσης. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία είναι προσαρμοσμένη για ανάλυση με S- παραμέτρους αλλά μπορεί να επεκταθεί και για ανάλυση με Ζ-παραμέτρους. Παρουσιάζεται, επιπλέον, η εφαρμογή της μεθοδολογίας σε κεραίες οι οποίες έχουν κοινό κέντρο φάσης. / Ιn this thesis a method for modeling multi-port antenna structures at both their transmitting and receiving operational modes and methods for their performance evaluation when operating in diversity and MIMO systems is demonstrated under the perspective of electromagnetics combined with stochastic analysis. The method for modeling multi-port antenna structures at both their transmitting and receiving operational modes is achieved using either the effective length matrix or the realized effective length matrix. The former way is convenient for Z-parameter analysis while the latter for S-parameter analysis. Two stochastic methodologies for the performance evaluation of diversity systems are presented. The first one is based on the covariance matrix of the received signals and has been used by many researchers worldwide. The second one, which has been developed in this thesis, combines electromagnetic modeling of multi-port antennas’ the reception mode with a stochastic model. A stochastic methodology for the performance evaluation of MIMO systems is also presented. The methodology has been developed in this thesis in order to be used for Sparameter analysis. Moreover this methodology is applied to model multiport antenna systems with common phase center.